CN103058126A - 一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法 - Google Patents

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本发明涉及石英微机械加工技术领域，具体是涉及一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法。清洗三维石英微机械结构的金属膜表面；在清洗后的金属膜表面上喷胶得到光刻胶层，然后对光刻胶层进行曝光、显影，最后进行光刻胶层的坚膜；采用光刻胶层作掩膜，用化学腐蚀的方法对金属膜进行腐蚀，然后去除光刻胶层，完成三维微机械结构表面电极的加工。可对不同尺寸和形状的晶片进行喷胶，同时也可对大深宽比的三维石英微机械结构侧壁进行均匀涂胶；通过超声喷雾式喷胶，改善了三维微机械结构上光刻胶层的均匀性。通过在显影步骤中增加超声清洗环节，降低了光刻胶层对三维石英微机械结构基底材料的粘附性，杜绝了电极加工时的短路情况。

Description

一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法
技术领域
本发明涉及石英微机械加工技术领域，具体是涉及一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法。
背景技术
微机电系统常采用晶体材料来加工各种微结构器件，基片材料一般可选用如石英玻璃或晶体、7740玻璃、硅片等。其加工工艺流程主要包括晶片清洗、薄膜沉积、光刻、腐蚀等。光刻质量的好坏对半导体器件的性能影响很大，是生产中影响成品率的关键因素之一。光刻过程主要是利用光刻胶的感光特性，将结构图形和电极图形从光刻版转移到基片上。光刻胶分为干膜光刻胶和液体光刻胶。干膜光刻胶广泛用于印刷电路板的铜线蚀刻，液体光刻胶主要用于IC、MEMS工艺，都是较为常见的掩蔽膜材料。其中，干膜光刻胶本身厚度较厚，光刻精度较差，在氢氟酸腐蚀后的三维石英微机械镂空结构边缘附着较差。选用液体光刻胶利用喷胶技术可以很好的涂覆在三维石英微机械结构表面及侧壁。
影响三维石英微机械结构表面电极加工的因素主要有微机械结构的表面清洗、光刻胶涂敷、曝光、显影等。现有的三维微机械表面电极加工，以镀有金属膜的三维石英微机械基片为例。先进行石英基片的清洗，将镀有双面Cr/Au金属膜的石英基片浸入丙酮中，超声清洗，以去除表面的有机物及颗粒等，然后用去离子水冲洗、烘干；利用喷胶机分别对三维石英基片的两面进行光刻胶涂敷。前烘后，采用双面曝光机，将电极版图图形转移到光刻胶上。经显影后，未曝光的区域形成由光刻胶构成的电极图案，电极图形外曝光的光刻胶溶解在显影液中，露出下面的Cr/Au膜。通过化学腐蚀等手段，去除光刻胶电极图案外的Cr/Au金属膜。最后去除表面的光刻胶，完成三维石英微机械结构表面电极的加工。
现有三维石英微机械结构表面电极加工难度较大。光刻胶在三维石英结构表面的均匀涂覆是制作表面电极的基础和难点。微机械结构，尤其是经过体加工腐蚀后的微机械结构，具有大深宽比的特征。在各向异性腐蚀出的沟槽、V形槽、通槽结构表面上传统的涂胶方法由于重力、表面张力等因素，很难覆盖在陡直的侧壁或台阶边缘，导致光刻胶在三维微机械结构表面均匀性非常差，无法加工复杂的电极图形。利用喷胶机，采用超声雾化喷胶的方式，通过调整光刻胶配比，喷胶扫描速率，喷嘴距基片的高度等参数，能够在三维石英微机械表面实现光刻胶的均匀涂覆。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提出一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，该方法的步骤包括：
1)清洗三维石英微机械结构的金属膜表面；
2)在清洗后的金属膜表面上喷胶得到光刻胶层，然后对光刻胶层进行曝光、显影，最后进行光刻胶层的坚膜；
3)采用光刻胶层作掩膜，用化学腐蚀的方法对金属膜进行腐蚀，然后去除光刻胶层，完成三维微机械结构表面电极的加工。
步骤1)中所说的三维石英微机械结构可以为带有凹槽的结构，也可以为镂空的结构；
步骤1)中的清洗为超声波清洗，采用乙醇或丙酮进行超声波清洗，超声时间为5-15min，超声频率为28-100kHz，超声功率20-200W；
步骤2)喷胶的过程，可对不同形状尺寸的三维石英微机械结构进行喷胶，最大喷胶尺寸为20mm×20mm，也可实现多片三维石英微机械结构同时喷胶的功能；
步骤2)中喷胶采用超声雾化喷胶的方式，可实现对大深宽比结构进行表面及侧壁喷涂，得到厚度均匀的光刻胶层；喷胶后得到的光刻胶层的厚度为2-10μm，光刻胶层厚度均匀性≤±10％；
步骤2)中曝光是对三维石英微机械结构的双面同时实现曝光，将电极版图图形转移到已经涂覆光刻胶层的三维石英微机械结构的表面即正面和反面；
步骤2)中显影采用手动显影的方式，显影时间在60～300s；显影过程中用去离子水清洗时可增加超声清洗环节，超声时间5～15min，超声频率28～100KHz，超声功率20～200W。
本发明的有益效果是：
1)可对不同尺寸和形状的晶片进行喷胶，同时也可对大深宽比的三维石英微机械结构侧壁进行均匀涂胶；
2)通过超声喷雾式喷胶，消除了传统旋转涂胶方法引入的离心力，改善了三维微机械结构上光刻胶层的均匀性。
3)通过在显影步骤中增加超声清洗环节，降低了光刻胶层对三维石英微机械结构基底材料的粘附性，杜绝了电极加工时的短路情况。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
喷胶的过程为：第一步，对带有Cr/Au金属膜的三维微机械结构进行预烘，使三维微机械结构干燥，保证三维微机械结构与接下来要涂覆的光刻胶层保持良好的粘附性，粘附性差会导致在显影过程中表面电极图形的变形，甚至浮胶；将三维石英微机械结构放入烘箱中，温度80～200℃，时间20～60min。第二步，对三维石英微机械结构喷胶，利用超声雾化的方式，将AZ4620光刻胶喷涂到三维石英结构表面，包括侧壁。AZ4620光刻胶：稀释剂＝0.2～0.6，喷嘴距基片的高度70～110mm，扫描速度60～120mm/min。第三步，将喷好一面光刻胶的三维石英微机械结构进行前烘，放入热板内，温度80～120℃，时间2～6min。第四步：晶片翻面，对未涂胶面重复第二步。第五步，重复第三步。第六步，曝光。根据涂覆的光刻胶厚度，采取合适的曝光能量，确定曝光时间。第七步：显影。配套的显影液为四甲基氢氧化铵，显影时间为60～300s。第八步：坚膜。将已经形成光刻胶的表面电极图案的三维石英微机械结构放入烘箱内，烘箱温度为80～130℃，时间为20-60min。
化学腐蚀过程为：首先，采用光刻胶作掩蔽膜，腐蚀三维微机械结构光刻胶覆盖区域之外的Au膜。腐蚀液为稀释的王水，王水腐蚀液的配比为体积比HNO3∶HCL＝1∶3，稀释比例为0.5～0.8，腐蚀温度为18～22℃的条件下，腐蚀15～60s。其次，Au膜腐蚀后，暴露出Au膜覆盖下的Cr膜。采用Au膜作掩膜腐蚀Cr膜。有光刻胶和金膜覆盖区域下的Cr被保护住，其余暴露的Cr膜，在去Cr腐蚀液的作用下被去除。腐蚀液为质量比，硝酸铈铵∶去离子水＝0.04～0.07。腐蚀温度为18～22℃，腐蚀时间10～50s。Cr膜去除干净后，除表面电极图形外的区域，露出三维微机械结构的基底材料石英。最后，去除光刻胶后，获得三维石英微机械结构的Cr/Au表面电极。
实施例
一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，该方法的步骤包括：
1)采用丙酮超声清洗三维石英微机械结构的Cr/Au金属膜表面；三维石英微机械结构为带有镂空的结构；超声时间为10min，超声频率为100kHz，超声功率60W；
2)在清洗后的金属膜表面上喷胶得到光刻胶层，然后对光刻胶层进行曝光、显影，最后进行光刻胶层的坚膜；具体步骤为：
第一步，对带有Cr/Au金属膜的三维石英微机械结构进行预烘，使三维石英微机械结构干燥，保证三维石英微机械结构与接下来要涂覆的光刻胶层保持良好的粘附性，粘附性差会导致在显影过程中表面电极图形的变形，甚至浮胶；将三维石英微机械结构放入烘箱中，温度100℃，时间30min；
第二步，用喷胶机对三维石英微机械结构喷胶，利用超声雾化的方式，将稀释后的AZ4620光刻胶喷涂到三维石英微机械结构的正面，包括侧壁；
所使用的AZ4620光刻胶是用AZ4620稀释剂进行的稀释，AZ4620光刻胶与AZ4620稀释剂的体积比为0.5，喷胶机的喷嘴距三维石英微机械结构的高度为90mm，喷胶机喷嘴的扫描速率为100mm/min；
第三步，将喷好正面光刻胶层的三维石英微机械结构放入热板内进行前烘，前烘温度90℃，前烘时间3min；
第四步：将三维石英微机械结构翻至反面，对未涂胶面重复第二步中的喷胶过程；
第五步，重复第三步中的前烘过程；
第六步，进行曝光，曝光时间为60s；
第七步：进行显影；显影过程所使用的显影液为四甲基氢氧化铵，显影时间为150s；
第八步：进行坚膜；将已经形成光刻胶的表面电极图案的三维石英微机械结构放入烘箱内，烘箱温度为100℃，时间为40min；
3)化学腐蚀的具体步骤为：
首先，采用光刻胶作掩蔽膜，腐蚀三维微机械结构光刻胶覆盖区域之外的Au膜；腐蚀液为稀释的王水，王水与去离子水的体积比为1∶1；王水腐蚀液的配比为体积比HNO3∶HCL＝1∶3，腐蚀温度为20℃的条件下，腐蚀30s；
其次，Au膜腐蚀后，暴露出Au膜覆盖下的Cr膜；
最后采用Au膜作掩膜腐蚀Cr膜，过程为：有光刻胶和金膜覆盖区域下的Cr被保护住，暴露的Cr膜在去Cr腐蚀液的作用下被去除；去Cr腐蚀液为硝酸铈铵的去离子水溶液，其中硝酸铈铵与去离子水的质量比为0.05；腐蚀温度为20℃，腐蚀时间30s；Cr膜去除干净后，除表面电极图形外的区域，露出三维石英微机械结构的基底材料石英；
4)去除光刻胶，获得三维石英微机械结构的Cr/Au表面电极。

Claims (10)

1.一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于该方法的步骤包括：
1)清洗三维石英微机械结构的金属膜表面；
2)在清洗后的金属膜表面上喷胶得到光刻胶层，然后对光刻胶层进行曝光、显影，最后进行光刻胶层的坚膜；
3)采用光刻胶层作掩膜，用化学腐蚀的方法对金属膜进行腐蚀，然后去除光刻胶层，完成三维微机械结构表面电极的加工。
2.根据权利要求1所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：步骤1)中所说的三维石英微机械结构为带有凹槽的结构或带有镂空的结构。
3.根据权利要求1所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：步骤1)中的清洗为超声波清洗，采用乙醇或丙酮进行超声波清洗，超声时间为5-15min，超声频率为28-100kHz，超声功率20-200W。
4.根据权利要求1所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：步骤2)中喷胶采用超声雾化喷胶的方式。
5.根据权利要求1所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：步骤2)中显影采用手动显影的方式，显影时间在60～300s；显影过程中用去离子水清洗时可增加超声清洗环节，超声时间5～15min，超声频率28～100KHz，超声功率20～200W。
6.根据权利要求1所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：喷胶过程中所使用的光刻胶为用AZ4620稀释剂进行的稀释的AZ4620光刻胶，AZ4620光刻胶与AZ4620稀释剂的体积比为0.5。
7.根据权利要求1所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：喷胶过程中所使用的喷胶机的喷嘴距三维石英微机械结构的高度为90mm，喷胶机喷嘴的扫描速率为100mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：步骤1)中的金属层为Cr/Au金属层。
9.根据权利要求8所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：化学腐蚀过程使用的腐蚀液为稀释的王水，王水与去离子水的体积比为1∶1；王水中HNO3与HCL的体积比为1∶3。
10.根据权利要求8所述的一种三维石英微机械结构表面电极的加工方法，其特征在于：化学腐蚀Cr膜的腐蚀液为硝酸铈铵的溶液，其中硝酸铈铵与去离子水的质量比为0.05。
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